基于電場傳感器的輸電線路氧化鋅避雷器在線監(jiān)測裝置制造方法
【專利摘要】本實(shí)用新型提供一種基于電場傳感器的輸電線路氧化鋅避雷器在線監(jiān)測裝置，包括通過導(dǎo)線連接的電源模塊和監(jiān)測終端，采用電場傳感器直接獲取輸電線路電壓信號的相位信息，避免傳統(tǒng)使用電壓傳感器測量帶來的角差問題。監(jiān)測終端采用FPGA+DSP雙核處理器技術(shù)，充分利用FPGA并行執(zhí)行且采集精度高及DSP的快速計(jì)算能力的特點(diǎn)。監(jiān)測終端采用GPS同步授時(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)同步采樣，在GPS的時(shí)間基準(zhǔn)上當(dāng)既定的采樣間隔到來時(shí)，1PPS信號的上升沿將同步觸發(fā)采樣邏輯單元完成電壓信號和電流信號一個(gè)周期的A/D高速采樣，采集數(shù)據(jù)送給DSP處理，計(jì)算得到反映設(shè)備絕緣狀態(tài)的介質(zhì)損耗參數(shù)信息，再把數(shù)據(jù)經(jīng)CMA上傳至監(jiān)控中心。
【專利說明】基于電場傳感器的輸電線路氧化鋅避雷器在線監(jiān)測裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型屬于輸變電設(shè)備監(jiān)測【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種基于電場傳感器的輸電線路氧化鋅避雷器在線監(jiān)測裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]近年來，各類輸電線路在線監(jiān)測技術(shù)發(fā)展迅速，有效提高了輸電線路安全運(yùn)行水平。輸電線路氧化鋅避雷器是一種新型的線路防雷裝置，它能有效地防止雷電直擊輸電線路所引起的故障和雷電繞擊輸電線路所引起的故障。但是氧化鋅避雷器的密封與否會嚴(yán)重影響到它的性能，當(dāng)密封不良導(dǎo)致內(nèi)部受潮時(shí)，極有可能造成氧化鋅避雷器內(nèi)部閃絡(luò)，而且氧化鋅避雷器工作到一定限度時(shí)會發(fā)生老化，老化后的閥片很可能會導(dǎo)致?lián)舸@就會直接引起線路對地短路，十分危險(xiǎn)，所以氧化鋅避雷器絕緣狀態(tài)是否良好直接關(guān)系到變電站的安全運(yùn)行和人身安全，有必要對氧化鋅避雷器運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行在線監(jiān)測。
[0003]傳統(tǒng)的在線監(jiān)測裝置主要是通過從電壓傳感器獲取電壓信號，從氧化鋅避雷器的接地側(cè)獲取泄漏電流信號，進(jìn)而求得反映氧化鋅避雷器運(yùn)行狀態(tài)的阻性電流。這種方法能夠基本實(shí)現(xiàn)對氧化鋅避雷器運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測。但是電壓傳感器自身的角差會給阻性電流的提取帶來誤差，使得阻性電流的測量結(jié)果不準(zhǔn)確，而在傳統(tǒng)的測量方法中忽略了此角差，必定會造成測量誤差而導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確。此外，傳統(tǒng)在線監(jiān)測裝置自成系統(tǒng)，也就是說每一種監(jiān)測裝置都各自對應(yīng)一個(gè)監(jiān)測中心后臺，這樣就造成了數(shù)據(jù)共享的困難，而且信號傳輸站點(diǎn)、信號線的鋪設(shè)耗費(fèi)大量人力物力，所以經(jīng)濟(jì)效益不甚理想。綜上所述，如何解決電壓傳感器誤差問題和信號的集成及數(shù)據(jù)的共享成為當(dāng)前在線監(jiān)測領(lǐng)域研究的重要課題。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0004]本實(shí)用新型的目的是提供一種基于電場傳感器的輸電線路氧化鋅避雷器在線監(jiān)測裝置，解決了現(xiàn)有技術(shù)中存在的電壓傳感器誤差問題、信號的集成及數(shù)據(jù)的共享問題。
[0005]本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是，一種基于電場傳感器的輸電線路氧化鋅避雷器在線監(jiān)測裝置，其特征在于，包括通過導(dǎo)線連接的電源模塊和監(jiān)測終端，監(jiān)測終端包括FPGA處理器模塊，F(xiàn)PGA處理器模塊上分別連接有三路泄漏電流采集單元、一路于電場傳感器的電壓采集單元、三路雷電流采集單元、看門狗模塊、DSP處理器模塊、定時(shí)復(fù)位電路、溫濕度傳感器、Sram存儲模塊、GPS授時(shí)模塊和Flash存儲模塊，DSP處理器模塊還分別連接有通信模塊、復(fù)位電路、E2R0M存儲模塊和Flash存儲模塊。
[0006]本實(shí)用新型的特點(diǎn)還在于:
[0007]每一路電流采集單元包括依次通過導(dǎo)線連接的泄漏電流傳感器、電流信號放大電路，泄漏電流信號放大電路連接分別至電流信號調(diào)理電路和A/D轉(zhuǎn)換電路；電壓采集單元包括依次連接的電場傳感器和電壓信號放大電路，電壓信號放大電路連接至A/D轉(zhuǎn)換電路；每一路雷電流采集單元包括依次連接的雷電流傳感器和雷電流信號調(diào)理電路。
[0008]電源模塊包括依次連接的太陽能電池板、充放電控制電路和穩(wěn)壓電路，充放電控制電路還連接有蓄電池，穩(wěn)壓電路與監(jiān)測終端相連接。
[0009]FPGA處理器模塊包括Nios內(nèi)核，Nios內(nèi)核分別連接有看門狗邏輯單元、測頻邏輯單元和采樣邏輯單元。
[0010]看門狗邏輯單元與看門狗模塊相連接，測頻邏輯單元與電流信號調(diào)理電路相連接，采樣邏輯單元與A/D轉(zhuǎn)換電路相連接，Niosft核連接有雷電流信號調(diào)理電路。
[0011]通信模塊采用GPRS/CDMA/3G/0PGW網(wǎng)絡(luò)，DSP處理器模塊采用TMS320F28335型號，F(xiàn)PGA處理器模塊采用EP1C6Q240I7型號。
[0012]溫濕度傳感器采用SHTlI型號。
[0013]Sram存儲模塊采用IS61LV51216型號，F(xiàn)lash存儲模塊采用TC58FVB160AFT型號，E2R0M存儲模塊采用AT24C32型號。
[0014]A/D轉(zhuǎn)換電路采用AD7656BSTZ型號。
[0015]蓄電池采用2塊6V/12AH蓄電池。
[0016]本實(shí)用新型的有益效果是，
[0017]1.消除傳統(tǒng)電壓傳感器測量電壓信號所帶來的誤差。本實(shí)用新型采用電場傳感器作為電壓測量的工具，由于其不存在一二次側(cè)的問題，所以不會在測量時(shí)就帶來較大的誤差;
[0018]2.準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)同步采樣。本實(shí)用新型采用GPS授時(shí)模塊，可準(zhǔn)確提供同步采樣信號和時(shí)間信息。
[0019]3.充分發(fā)揮微處理器優(yōu)勢。本實(shí)用新型采用現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)芯片+數(shù)字信號處理器(DSP)芯片的雙核處理器，充分發(fā)揮其各自的優(yōu)勢，在FPGA中用硬件語言構(gòu)造的模塊，由于具有并行執(zhí)行的特點(diǎn)，可用于實(shí)現(xiàn)高精度同步采樣，而DSP的優(yōu)點(diǎn)則在于具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，所以將采集到的數(shù)據(jù)送至DSP進(jìn)行處理。
[0020]4.實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化接入。本實(shí)用新型經(jīng)DSP處理的數(shù)據(jù)，會經(jīng)輸電線路在線監(jiān)測代理(CMA)傳送給監(jiān)控中心，數(shù)據(jù)經(jīng)CMA后，會統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)化，最后使得監(jiān)控中心更容易實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的管理及共享。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本實(shí)用新型基于電場傳感器的輸電線路氧化鋅避雷器在線監(jiān)測裝置的監(jiān)測終端硬件原理圖；
[0022]圖2為本實(shí)用新型基于電場傳感器的輸電線路氧化鋅避雷器在線監(jiān)測裝置的電源模塊原理圖；
[0023]圖3為本實(shí)用新型基于電場傳感器的輸電線路氧化鋅避雷器在線監(jiān)測裝置的監(jiān)測原理圖；
[0024]圖4為本實(shí)用新型基于電場傳感器的輸電線路氧化鋅避雷器在線監(jiān)測裝置的監(jiān)測原理中電壓電流信號相位關(guān)系圖；
[0025]圖5為本實(shí)用新型基于電場傳感器的輸電線路氧化鋅避雷器在線監(jiān)測裝置的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖。
[0026]圖中，1.輸電線路，2.氧化鋅避雷器對地等效電容，3.泄漏電流傳感器，4.電場傳感器，5.在線監(jiān)測系統(tǒng)，6.溫濕度傳感器，7.雷電流傳感器，8.監(jiān)測終端處理中心，9.通信模塊，10.塔上CMA，11.站內(nèi)CMA，12.監(jiān)控中心，13.數(shù)據(jù)庫，14.電流信號放大電路，15.電壓信號放大電路，16.電流信號調(diào)理電路，17.A/D轉(zhuǎn)換電路，18.雷電流信號調(diào)理電路，19.看門狗模塊，20.FPGA處理器模塊，21.看門狗邏輯單元，22.測頻邏輯單元，23.采樣邏輯單元，24.Nios內(nèi)核，25.定時(shí)復(fù)位電路，26.Sram存儲模塊，27.GPS授時(shí)模塊，28.Flash存儲模塊，29.DSP處理器模塊，30.復(fù)位電路，31.E2R0M存儲模塊，32.電源模塊，33.太陽能電池板，34.充放電控制電路，35.蓄電池，36.穩(wěn)壓電路，37.通信網(wǎng)絡(luò)，38監(jiān)測終端。
【具體實(shí)施方式】
[0027]下面結(jié)合附圖和【具體實(shí)施方式】對本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0028]本實(shí)用新型提供一種基于電場傳感器的輸電線路氧化鋅避雷器在線監(jiān)測裝置，如圖1所示，包括通過導(dǎo)線連接的電源模塊32和監(jiān)測終端38，監(jiān)測終端38包括FPGA處理器模塊20，F(xiàn)PGA處理器模塊20上分別連接有三路泄漏電流采集單元、一路電場傳感器的電壓采集單元、三路雷電流采集單元、看門狗模塊19、DSP處理器模塊29、定時(shí)復(fù)位電路25、溫濕度傳感器6、Sram存儲模塊26、GPS授時(shí)模塊27和Flash存儲模塊28，DSP處理器模塊29還分別連接有通信模塊9、復(fù)位電路30、E2R0M存儲模塊31和Flash存儲模塊28，其中，通信模塊9可采用GPRS/CDMA/3G/0PGW網(wǎng)絡(luò)，DSP處理器模塊29采用TMS320F28335型號，F(xiàn)PGA處理器模塊20采用EP1C6Q240I7型號。溫濕度傳感器6采用SHTll型號。Sram存儲模塊26采用IS61LV51216型號，F(xiàn)lash存儲模塊28采用TC58FVB160AFT型號，E2R0M存儲模塊31采用AT24C32型號。
[0029]每一路電流采集單元包括依次通過導(dǎo)線連接的泄漏電流傳感器3、電流信號放大電路14，泄漏電流信號放大電路14通過導(dǎo)線連接分別至電流信號調(diào)理電路16和A/D轉(zhuǎn)換電路17 ;電壓采集單元包括依次連接的電場傳感器4和電壓信號放大電路15，電壓信號放大電路15連接至A/D轉(zhuǎn)換電路17 ;每一路雷電流采集單元包括依次連接的雷電流傳感器7和雷電流信號調(diào)理電路18，A/D轉(zhuǎn)換電路17采用AD7656BSTZ型號。
[0030]如圖2所示，電源模塊32包括依次連接的太陽能電池板33、充放電控制電路34和穩(wěn)壓電路36，充放電控制電路34還連接有蓄電池35，穩(wěn)壓電路36與監(jiān)測終端38相連接。蓄電池35采用2塊6V/12AH蓄電池。
[0031]FPGA處理器模塊20包括Nios內(nèi)核24，Nios內(nèi)核24分別連接有看門狗邏輯單元21、測頻邏輯單元22和采樣邏輯單元23?？撮T狗邏輯單元21與看門狗模塊19相連接，測頻邏輯單元22與電流信號調(diào)理電路16相連接，采樣邏輯單元23與A/D轉(zhuǎn)換電路17相連接，Nios內(nèi)核24上還連接有雷電流信號調(diào)理電路18。
[0032]如圖3和圖4所示，為本實(shí)用新型的監(jiān)測原理，本裝置安裝于輸電線路桿塔上，其通過泄漏電流傳感器3測量氧化鋅避雷器對地等效電容2的末屏泄漏電流，進(jìn)而得到可反映泄漏電流信息的電壓信號Ul，通過電場傳感器4測量輸電線路I產(chǎn)生的電場信號，進(jìn)而得到可反映線路電壓相位信息的電壓信號U2，將Ul和U2送入在線監(jiān)測系統(tǒng)5經(jīng)過一系列計(jì)算可得到tan δ，tan δ即可反映氧化鋅避雷器的絕緣水平。
[0033]圖5為本實(shí)用新型裝置的系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖，系統(tǒng)分為三層，分別為設(shè)備層、接入層和站控層。設(shè)備層主要由監(jiān)測終端處理中心8、溫濕度傳感器6、雷電流傳感器7、泄漏電流傳感器3和電場傳感器4組成，主要負(fù)責(zé)對信號的采集和處理，其中監(jiān)測終端處理中心8、雷電流傳感器7、泄漏電流傳感器3和電場傳感器4構(gòu)成監(jiān)測終端38 ;接入層由輸電線路在線監(jiān)測代理塔上CMAlO或站內(nèi)CMAll組成，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化接入、安全接入及智能化接入；站控層主要由監(jiān)控中心12和數(shù)據(jù)庫13組成，主要負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)的管理及共享。數(shù)據(jù)從設(shè)備層到站控層有兩種選擇方式，一種為數(shù)據(jù)從監(jiān)測終端出來后直接送至塔上CMA10，塔上CMAlO經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)37送至監(jiān)控中心12 ;另一種為數(shù)據(jù)從監(jiān)測終端38出來后經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)37送至站內(nèi)CMAlI，最后送至監(jiān)控中心12。通信模塊9可選擇GPRS、CDMA、3G和OPGW等方式。
[0034]本實(shí)用新型的工作過程:監(jiān)控中心12下發(fā)指令到DSP處理器模塊29，DSP處理器模塊29再將指令傳遞給FPGA處理器模塊20，F(xiàn)PGA處理器模塊20首先啟用測頻邏輯單元22測得信號整周期T，緊接著啟用采樣邏輯單元23實(shí)現(xiàn)對泄漏電流和線路電壓的同步采樣，采集一個(gè)周期T的數(shù)據(jù)，采樣間隔為T/512。泄漏電流信號采集單元共三路，分別連接至A、B、C三相避雷器，并且器件組成完全一樣，其信號流向?yàn)橥ㄟ^泄漏電流傳感器3采集泄漏電流信號，經(jīng)過泄漏電流信號放大電路14后分為兩路，一路經(jīng)電流信號調(diào)理電路16送至FPGA處理器模塊20的測頻邏輯單元22，一路經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換電路17送至采樣邏輯單元23。通過電場傳感器4采集反映線路電壓的電場信號，經(jīng)過電壓信號放大電路15后送至A/D轉(zhuǎn)換電路17，最后送入采樣邏輯單元23。雷電流信號采集單元也分為三路，分別連接至A、B、C三相避雷器，并且器件組成完全一樣，其信號流向?yàn)橥ㄟ^雷電流傳感器7采集雷電流信號，經(jīng)雷電流信號調(diào)理電路18送至FPGA處理器模塊20的Nios內(nèi)核24。此外與FPGA處理器模塊20相連的還有看門狗模塊19，此為硬件看門狗，防止程序跑飛；定時(shí)復(fù)位電路25，配合軟件看門狗，也是防止程序跑飛；溫濕度傳感器6，用于測量溫度、濕度等環(huán)境信息；Sram存儲模塊26，用于數(shù)據(jù)的存儲；GPS授時(shí)模塊27，接受GPS信號，產(chǎn)生IPPS秒脈沖并提供準(zhǔn)確的時(shí)間信息；Flash存儲模塊28，用于程序的固化。與DSP處理器模塊相連的還有通信模塊9，用于與遠(yuǎn)端進(jìn)行通信；E2R0M存儲模塊31，用于數(shù)據(jù)的存儲；復(fù)位電路30，配合軟件看門狗，防止程序跑飛。
[0035]本實(shí)用新型電源模塊采用太陽能+蓄電池的供電方式。當(dāng)有陽光時(shí)，太陽能電池板33通過充放電控制電路34給蓄電池35智能充電，當(dāng)蓄電池35充飽時(shí)自動斷開對其充電，當(dāng)蓄電池35電量不足時(shí)又會對其充電。平時(shí)裝置部分37采用蓄電池35直接供電，蓄電池35的電壓經(jīng)過充放電控制電路34、穩(wěn)壓電路35送給監(jiān)測終端。
[0036]本裝置安裝于輸電線路桿塔上，其通過泄漏電流傳感器3對氧化鋅避雷器泄漏電流信號進(jìn)行采集，通過電場傳感器4對線路電壓信號進(jìn)行采集，采集過來的信號后送至A/D轉(zhuǎn)換模塊17，最后將轉(zhuǎn)換得到的信號送至DSP處理器模塊29中做快速傅立葉(FFT)處理，分離出基波數(shù)據(jù)，將基波數(shù)據(jù)和環(huán)境參數(shù)經(jīng)輸電線路在線監(jiān)測代理CMA (塔上CMA或站內(nèi)CMA)傳輸至監(jiān)測中心12，監(jiān)測中心12會對此數(shù)據(jù)進(jìn)行分析存儲，運(yùn)行監(jiān)控人員便可在千里之外監(jiān)控本裝置的運(yùn)行情況，同時(shí)也將數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的共享。本實(shí)用新型為電力系統(tǒng)智能化的實(shí)現(xiàn)和發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)保障，具有重大的社會意義。
[0037]本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0038](I)消除傳統(tǒng)電壓傳感器測量電壓信號所帶來的誤差；
[0039]( 2 )準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)同步采樣；
[0040]( 3 )充分發(fā)揮微處理器優(yōu)勢；
[0041](4)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化接入。
【權(quán)利要求】
1.基于電場傳感器的輸電線路氧化鋅避雷器在線監(jiān)測裝置，其特征在于，包括通過導(dǎo)線連接的電源模塊(32)和監(jiān)測終端(38)，所述的監(jiān)測終端(38)包括FPGA處理器模塊(20),所述FPGA處理器模塊(20)上分別連接有三路泄漏電流采集單元、一路于電場傳感器的電壓采集單元、三路雷電流采集單元、看門狗模塊(19)、DSP處理器模塊(29)、定時(shí)復(fù)位電路(25)、溫濕度傳感器(6)、Sram存儲模塊(26)、GPS授時(shí)模塊(27)和Flash存儲模塊(28),所述DSP處理器模塊(29)還分別連接有通信模塊(9)、復(fù)位電路(30)、E2ROM存儲模塊(31)和Flash存儲模塊(28)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電場傳感器的輸電線路氧化鋅避雷器在線監(jiān)測裝置，其特征在于，所述每一路電流采集單元包括依次通過導(dǎo)線連接的泄漏電流傳感器(3)、電流信號放大電路(14)，所述泄漏電流信號放大電路(14)連接分別至電流信號調(diào)理電路(16)和A/D轉(zhuǎn)換電路(17);所述電壓采集單元包括依次連接的電場傳感器(4)和電壓信號放大電路(15 )，所述電壓信號放大電路(15 )連接至A/D轉(zhuǎn)換電路(17 );所述每一路雷電流采集單元包括依次連接的雷電流傳感器(7)和雷電流信號調(diào)理電路(18)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電場傳感器的輸電線路氧化鋅避雷器在線監(jiān)測裝置，其特征在于，所述電源模塊包括依次連接的太陽能電池板(33)、充放電控制電路(34)和穩(wěn)壓電路(36 )，所述充放電控制電路(34 )還連接有蓄電池(35 )，所述穩(wěn)壓電路(36 )與監(jiān)測終端(38)相連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電場傳感器的輸電線路氧化鋅避雷器在線監(jiān)測裝置，其特征在于，所述FPGA處理器模塊(20)包括Nios內(nèi)核(24)，Nios內(nèi)核(24)分別連接有看門狗邏輯單元(21)、測頻邏輯單元(22 )和采樣邏輯單元(23 )。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于電場傳感器的輸電線路氧化鋅避雷器在線監(jiān)測裝置，其特征在于，所述看門狗邏輯單元(21)與所述看門狗模塊(19)相連接，測頻邏輯單元(22)與電流信號調(diào)理電路(16)相連接，所述采樣邏輯單元(23)與A/D轉(zhuǎn)換電路(17)相連接，所述Nios內(nèi)核(24)連接有雷電流信號調(diào)理電路(18)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電場傳感器的輸電線路氧化鋅避雷器在線監(jiān)測裝置，其特征在于，所述的通信模塊(9)采用GPRS/CDMA/3G/0PGW網(wǎng)絡(luò)，所述的DSP處理器模塊(29)采用TMS320F28335型號，所述FPGA處理器模塊采用EP1C6Q240I7型號。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電場傳感器的輸電線路氧化鋅避雷器在線監(jiān)測裝置，其特征在于，所述的溫濕度傳感器(6)采用SHTll型號。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于電場傳感器的輸電線路氧化鋅避雷器在線監(jiān)測裝置，其特征在于，所述的Sram存儲模塊(26)采用IS61LV51216型號，所述的Flash存儲模塊(28)采用TC58FVB160AFT型號，所述的E2R0M存儲模塊(31)采用AT24C32型號。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于電場傳感器的輸電線路氧化鋅避雷器在線監(jiān)測裝置，其特征在于，所述的A/D轉(zhuǎn)換電路(17)采用AD7656BSTZ型號。
10.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于電場傳感器的輸電線路氧化鋅避雷器在線監(jiān)測裝置，其特征在于，所述的蓄電池(35)采用2塊6V/12AH蓄電池。
【文檔編號】G01R31/12GK203630281SQ201320737129
【公開日】2014年6月4日 申請日期:2013年11月19日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月19日
【發(fā)明者】黃新波, 石杰, 鄧凸, 郭劍鋒, 王卓 申請人:西安工程大學(xué)